深入理解Java中的字符串类型

深入理解Java中的字符串类型

Java 的字符串类型 java.lang.String 在我们日常的开发工作中使用得非常频繁，而且它的使用非常方便。但是，我们了解得真的够全面吗？在本篇文章中，我们将会通过具体的示例，剖析 Java 字符串的底层实现原理，还会深入探讨 Java 字符串的常用方法和源代码分析。

1. Java 字符串类型的底层实现原理

Java 的字符串类型 java.lang.String 是一个不可变的字符序列，即一旦被创建，其中包含的字符就不能被修改。

在 Java 中，字符串的底层实现采用了 Unicode 编码格式，而每个字符所占用的内存空间是相同的，即 2 个字节（16 位）。因此，Java 字符串类型的存储方式是对每个字符都在内存中分配 2 个字节的存储空间，这些字符按照顺序依次排列组成了一个字符串。在 Java 中，每个字符占用的内存空间都是相同的，这种不同于 C 或 C++ 等语言的编码方式使得 Java 字符串在处理国际化和多语言等方面有很大的优势。

2. Java 字符串类型的常用方法

Java 字符串类型 java.lang.String 提供了大量的用于操作字符串的方法，常用的方法包括以下几种：

2.1 length()

length() 方法用于返回字符串中字符的个数，它是一个实例方法，调用方式为：

int length = "hello".length();

2.2 charAt(int index)

charAt(int index) 方法用于返回指定索引位置的字符，索引从 0 开始计算。如果索引越界，会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。它是一个实例方法，调用方式为：

char ch = "hello".charAt(1); // 'e'

2.3 indexOf(String str)

indexOf(String str) 方法用于查找指定字符串在当前字符串中第一次出现的位置，如果当前字符串不包含指定字符串，则返回 -1。它是一个实例方法，调用方式为：

int index = "hello".indexOf("llo"); // 2

2.4 substring(int beginIndex, int endIndex)

substring(int beginIndex, int endIndex) 方法用于获取以指定的起始点和结束点之间的子字符串，包括起点但不包括结束点。如果结束点大于原字符串长度，则截取到原字符串的末尾。它是一个实例方法，调用方式为：

String str = "hello".substring(1,3); // "el"

2.5 equals(Object obj)

equals(Object obj) 方法用于比较两个字符串是否相等。它是一个实例方法，调用方式为：

boolean b = "hello".equals("world"); // false

3. Java 字符串类型源代码分析和优化

3.1 String 类的源代码分析

在 Java 中，字符串类型 java.lang.String 的源代码十分重要，因为它通常是我们日常开发中使用最多的一个类。我们先来了解一下 String 类的源代码前几行:

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence
{
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** The offset is the first index of the storage that is used. */
    private final int offset;

    /** The count is the number of characters in the String. */
    private final int count;

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0
  //......constructor, method etc.
}

我们可以看到，String 类是一个 final 类，不能被继承，实现了 Serializable、Comparable、CharSequence 等接口。其中最重要的是三个实例变量：value、offset 和 count。

value 是用于存储字符串中的字符数组，offset 表示字符数组的偏移量，count 表示字符串中字符的数量。在 String 类的大量方法实现中，都用到了这三个实例变量。

3.2 字符串拼接的性能优化

在 Java 编程中，字符串的拼接是非常常见的操作。不过，在使用字符串拼接时，我们需要注意一点，即避免过多的字符串拼接操作的出现，因为这样会导致大量的字符串对象的创建、销毁等操作，严重地影响程序的性能。

比如，下面这个代码片段就存在性能问题：

String result = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    result += i;
}

我们通过输出 result 变量的 hashcode 值就可以观察到这种行为的成本：

System.out.println("result hashcode: " + result.hashCode());

输出的结果为：

result hashcode: -1977362095

而如果我们使用 StringBuilder 来完成上面的字符串拼接操作，那么就可以避免这个问题：

StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    sb.append(i);
}
String result = sb.toString();

相比于字符串拼接，StringBuilder 将字符串存储在缓冲区内，等待一次性写入，因此效率更高。上面这个例子中，我们通过 StringBuilder 完成了一次性的字符串拼接，这样就避免了大量的字符串对象创建、销毁等操作。

小结

本篇文章针对 Java 中的字符串类型 java.lang.String 进行了深入的探讨和分析。通过讲解字符串类型的底层实现原理、常用方法和源代码分析等方面，我们深入理解了 Java 中的字符串类型，并且了解了避免过多字符串拼接操作的技巧。